第六激光锁模技术
激光的调Q与锁模
03 锁模技术
锁模技术的原理
锁模技术是一种控制激光脉冲宽度和重复频率的方法，通过在激光振荡 过程中引入周期性的相位调制，使得激光脉冲在时间上被压缩和固定。
锁模技术利用了激光的相干性，通过在激光腔内引入一个或多个调制器， 对激光的相位进行调制，使得激光脉冲在时间上呈现出周期性的变化。
锁模技术
通过在激光器中引入光学反馈，使激光器的多个纵模同时振荡并保持相位锁定状 态。通过控制反馈强度和频率，可以调节脉冲宽度和重复频率，从而实现超短脉 冲激光输出。
技术特点的比较
调Q技术
调Q激光器结构简单，脉冲能量较高 ，但脉冲宽度较大，通常在毫秒量级 。调Q技术适用于需要高功率脉冲激 光的场合，如材料加工、医疗美容等 。
激光的调q与锁模
目录
• 激光基础知识 • 调Q技术 • 锁模技术 • 调Q与锁模技术的比较 • 调Q与锁模技术的发展趋势
01 激光基础知识
激光原理简介
激光原理
激光是受激发射放大原理产生的相干光。在激光器中，通过外部激励源激发原 子或分子从低能态跃迁到高能态，再通过受激辐射放大实现光的放大。
激光产生过程
随着超快激光技术的进步，锁模技术能够实现更短脉冲宽度和更高重复频率的激光输出， 为科学研究、工业应用等领域提供更多可能性。
锁模技术的集成化与小型化
为了满足不同应用场景的需求，锁模技术将进一步实现集成化和小型化，便于携带和使 用。
锁模技术在光通信、光谱分析等领域的应用拓展
锁模技术能够产生超短脉冲激光，具有极高的时间分辨率和光谱分辨率，因此在光通信、 光谱分析等领域具有广泛的应用前景。
锁模技术
a2=Ωt2+α
2π 2πL′ 2L′ T= = = Ω πc c
T 1 τ= = N ∆νT
a2 – a1 =Ω(t2-t1)= ΩT=2π
2π a2 − a1 = Ωτ = N
∆νT N= ∆νq
3、脉宽(光脉冲持续时间的一半 、脉宽 光脉冲持续时间的一半 光脉冲持续时间的一半)
证
2π T τ= = NΩ N
ω0-Ω ω0 ω0+Ω Ω Ω
④两个边模再产生新边模，直至振荡线宽内所有 两个边模再产生新边模， 纵模都被耦合形成脉冲系列输出。 纵模都被耦合形成脉冲系列输出。
3、相位(频率 调制模锁 电光锁模 、相位 频率 调制模锁:电光锁模 频率)调制模锁
(1)概念 概念 使用电光晶体折射率随外加电压的变化对激光进 行相位调制，调制频率为f=c/2L′时，可以获重复 行相位调制，调制频率为 ′ 频率也为f的激光脉冲系列 频率也为 的激光脉冲系列 z (2)装置 装置
ln 2 ln 2
c 3×108 =100M Hz ∆νq = = 2L 2×1.5
∆q = [
∆νT 950 ] +1 = [ ] +1 =10 ∆νq 100
m ② Iν = Is (α2 −1) = 50×(22 -1) =150w/m 2
0
Pν0 = 1 STI ν0 = 1 ×1×0.01×150 = 0.75w 2 2 P = ∆q ⋅ Pν0 =10×0.75 = 7.5w
腔平均损耗率, 损耗率变化幅度, 损耗频率 δo:腔平均损耗率 ∆δ 损耗率变化幅度 Ω:损耗频率 腔平均损耗率 ∆δ:损耗率变化幅度 调制电信号为零时，损耗最小， 调制电信号为零时，损耗最小，调制电信号为极 值时，损耗最大， 值时，损耗最大，故损耗频率是调制频率的两倍
锁模激光器的工作原理及其特性
锁模激光器的工作原理及其特性摘要： 本文主要介绍了锁模的基本原理和实现方法，并简单介绍了锁模激光器。
关键词：锁模，速率方程，工作原理一、引言如果在激光谐振腔内不加入任何选模装置，那么激光器的输出谱线是由许多分立的，由横纵模确定的频谱组成的。
锁模就是将多纵模激光器中各纵模的初相位关系固定,形成等时间间隔的光脉冲序列。
使各纵模在时间上同步，频率间隔也保持一定，则激光器将输出脉宽极窄、峰值功率很高的超短脉冲。
二、锁模的概念一般非均匀加宽激光器，如果不采取特殊选模措施，总是得到多纵模输出。
并且，由于空间烧孔效应，均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模。
每个纵模输出的电场分量可用下式表示])-([),(q q z t i q q e E t z E ϕυω+= （2.1）式中，q E 、q ω、q ϕ为第q 个模式的振幅、角频率及初相位。
各个模式的初相位q ϕ无确定关系，各个模式互不相干，因而激光输出是它们的无规叠加的结果，输出强度随时间无规则起伏。
但如果使各振荡模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器将输出一列时间间隔一定的超短脉冲。
这种激光器称为锁模激光器。
假设只有相邻两纵模振荡，它们的角频率差Ω='=L cq q πωω1-- （2.2）它们的初相位始终相等，并有01-==q q ϕϕ。
为分析简单起见，假设二模振幅相等，二模的行波光强I I I q q ==1-。
现在来讨论在激光束的某一位置（设为0=z ）处激光场随时间的变化规律。
不难看出，在0=t 时，二纵模的电场均为最大值，合成行波光强是二模振幅和的平方。
由于二模初相位固定不变，所以每经过一定的时间0T 后，相邻模相位差便增加了π2，即πωω2-01-0=T T q q （2.3）因此当0mT t =时（m 为正整数），二模式电场又一次同时达到最大值，再一次发生二模间的干涉增强。
于是产生了具有一定时间间隔的一列脉冲，脉冲峰值光强为I 4，由式（2.3）可求出脉冲周期为cL T '=Ω=220π 如果二纵模初相位随机变化，则在0=z 处，合成行波光强在I 2附近无规涨落。
第六讲激光的调Q与锁模
该式说明了我们观察到的平均光强是各个 纵模光强之和。
11
如果我们能设法使这些各自独立振荡的 纵模在时间上同步，就需要把它们的相位相 互关联起来，使之有一确定的关系。一般说， 能使q+1 - q等于常数，我们就说该激光器各 模的相位q是按照q+1 - q=常数的关系被锁 定。
12
二、多模激光器模式锁定特性
8
激光的频 谱是由等间隔 (C/2L)的分离 谱线所组成， 每条谱线对应 一个纵模，各 纵模间彼此独 立，相位是在 -到之间随 机分布。在时 间域内，其强 度分布有噪声 特性。
振幅
0
v
振幅强度
t
9
当用接收器件来探测非锁模激光器输出 的光功率时，接收到的光强是所有满足阈值 条件的纵模光强的叠加。此时，某一瞬时的 输出光强为：
第六讲 激光的锁模 技术
1
6．1 锁模技术
前面讲过的调Q激光器可以获得巨脉冲， 但是最小脉冲宽度约秒量级。其原因是形成 激光脉冲需要一个建立时间。如果用腔倒空 技术，可以将脉宽压缩到1～２ns，并且由腔 长决定。 锁模技术可以实现更窄的脉宽和更高的 输出峰值功率。
2
锁模技术是从1964年发展起来的，由于 它能使激光脉冲的持续时间达到10-12秒，甚 至更窄（10-15秒）。所以也称为超短脉冲技 术。由于激光输出脉宽很窄，所以峰值功率 可以很高。这种窄脉冲高峰值功率的激光应 用甚广，在受控核聚变、等离子体物理学、 遥测技术、化学及物理动力学、生物学、高 速摄影、光通讯、光雷达、光谱学、全息学 及非线性光学等许多领域都有着重要的应用， 对于研究超高速现象及探索微观世界的规律 性具有极大的意义。
q 2 q 2 C C 2L L
n 0 n 第n个纵模频率为： 0为中心频率，为纵模间隔 设第n个纵模的振幅为An(t)， i ( ) t 0 n An (t ) A0e n 其中，A0为振幅， n为初相位。
激光锁模技术
激光锁模技术顾朝晖 宁波大学光电信息工程 116170013摘要：锁模是激光技术中的一个十分重要的组成部分。
调Q 技术，受原理上的限制，其激光器输出的激光脉冲的宽度在1~30115之间。
随着科学技术的发展，在遥测技术、高时间分辨率光谱学、非线性光学、光电子学、化学动力学以及受控核聚变等许多领域要求获得脉冲宽度更窄、峰值功率更高的激光脉冲。
这推动了超短光脉冲技术的研究，发展了激光锁模技术。
关键词：锁模技术，激光脉冲引言：世界上是在1964年底首先对He-Ne 激光器实现锁模并获得了91010~10--s 的光脉冲列。
此后，激光锁模的理论和方法不断推陈出新，相继出现了红宝石、YAG 、钦玻璃及有机染料等锁模激光器，获得了ps(1210-)量级的窄脉冲。
八十年代初，Fork 等人又发展了碰撞锁模的理论，使锁模光脉冲进入了fs(1510-)量级，这是至今在实验室利用其它手段尚不能实现的最短时标。
这就为研究物质微观世界超快速过程提供了新的工具，并将开阔这些领域的新前景。
.1.激光锁模技术的原理自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阈值的纵模，如图所示。
这些模的振幅及相位都不固定，激光输出随时间的变化是它们无规则叠加的结果，是一种时间平均的统计值。
假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有N 个纵模，每个纵模输出的电场分量可用下式表示:那么激光器输出的光波电场是N 个纵模电场的和，即)()(q q t i q q e E t E ϕω+=)()(q q t i q q e E t E ϕω+=()()q q i t q qE t E e ωφ+=∑()()q q i t q q E t E e ωφ+=∑E q 、ωq 、φq 为第q 个模式的振幅、角频率及初位相。
各个模式的振幅E q 、初位φq 均无确定关系,各个模式互不相干,因而激光输出是它们的无规叠加的结果,输出强度随时间无规则起伏。
假设有三个光波，频率分别为v 1 v 2 和 v 3，沿相同方向传播，并且有如下关系： ，在未锁定时，初相彼此无关。
第六讲激光的调Q与锁模
27
1968年开始横模锁定的研究，稍后又开 始了纵横模同时锁定的研究，70年代后又发 展了主动加被动双锁模（损耗调制加相位调 制）、主动加调Q及同步锁模等方法 。 纵模锁定的方法主要有，自锁、主动锁 模（内调制包括损耗调制和相位调制）及被 动锁模（可饱和吸收染料锁模），下面分别 加以讨论。
28
1、纵模锁定
1 t1 2 2 I ( t ) E ( t ) 0 E ( t ) dt t1 q 因为 1 t1 2 1 2 2 0 Eq cos (qt q ) dt Eq t1 q q2 1 t1 0 Eq E cos( t ) cos( t ) dt 0 q q q q q t1 q q 所以 N 1 2 I ( t )＝ Eq q 0 2
15
下面用数学形式来定量地分析激光输出与 相位锁定的关系。若多模激光器的所有振荡 模均有相等的振幅E0。超过阈值的纵模共有 2N+1个，各相邻模的相位差都是n ，并设处 在介质增益曲线中心的模(q=0)，其角频率为 0，其相位为0，即以中心模的相位为参考相 位。
16
振幅特性
对于一个腔长为L的平行平面腔，如果忽 略了腔的非线性色散效应，则两相邻纵模的 频率间隔相等，由（1）式
5
在多模振荡时，如果使振荡模的频率间隔 保持一定，并且使各模之间只有确定的相位 关系，这时激光输出是一系列周期脉冲，这 种激光器叫做“锁模”激光器，相应的技术 叫做“锁模技术”。
6
假设在激光工作物质的净增益线宽内包 含有N个纵模，那么，这时激光器输出的光波 电场是N个纵模电场的和： N （2） E ( t ) E cos( t )
第六讲 激光的锁模 技术
1
6．1 锁模技术
第六讲激光锁模技术
11 2N1 q
可见增益线宽愈宽，愈可能得到窄的
锁模脉宽。（ t=to=0时，A(t)有极大值，而上式分子(1/2) (2N+1) △ wt1=时，
A(t)=0,令 △t=t1-t0 并近似为半峰值宽，则有…）
(3)输出脉冲的峰值功率正比于 E02 (2N 1)2，因此，由于锁模，峰值
功率增大了2N+1倍。
本节将讨论超短脉冲激光器的原理、特点、实现的方法，几种典 型的锁模激光器及有关的超短脉冲技术。
6.2 锁模的基本理论
激光器的模式分为纵模和横模。锁模也分为锁纵模、锁横 模、锁纵横模三种。本节介绍纵模锁定。
一、多模激光器的输出特性
为了更好地理解锁模的原理，先讨论未经锁摸的多纵模自由运转
激光器的输出特性。腔长为L的激光器，其纵模的频率间隔为：
Δω ，假定第q个振荡模为
E t E cos t E cos qt q
q
0
q
q
0
0
式中，q为腔内振荡纵模的序数。
激光输出频谱
ω-5
ω-1ω0ω1 ω
ω5
N=5, 2N+1=11
激光器输出总光场是2N+1个纵模相干的结果：
N
N
E(t) Eq (t) E0 cos(0 q)t qa
出现了极大值（ I = E2 = 9E02 ）。当然, 对于谐振腔内存在多个纵模 的情况，同样有类似的结果。
E(t)
E0
1
0
2
-E0
3
I(t)
v3 9E02
v3=3v1,
v2
v1
v2=2v1， 初位相相同(0)
9E02
0
E(t)
激光技术调Q与锁模
当激光工作物质中有多个能级间可以发生激光跃 迁，从而可以产生多波长激光辐射的情况下
或者工作物质有相当宽的增益线宽
如果在应用中，需要选出对应某一波长附近的一 组纵模时
利用色散腔选择纵模是最为实用且有效 的方法
16
色散腔粗选波长
棱镜色散腔
短腔法选纵模 F-P标准具法 色散腔法粗选波长 行波腔选纵模
激光单元技术
对激光束实行人为控制的技术称之为激光单元技术
激光选模技术
激光Q开光技术
激光锁模技术
2
1、激光选模技术
激光模式选择及其意义：
激光的优点在于功率高、方向性好、单色性 和相干性好，一个理想的激光器输出光应按 需要控制输出模式，很多情况下我们希望只
输出单一的横模和纵模。因此产生了以控制
t
I
t
28
通过锁模得到超短脉冲
29
30
被动锁模原理
在谐振腔内放入吸收介质，由于饱和吸收效应，介质 只吸收强度低的光，而强度高的光透过吸收介质形成 振荡逐步被放大
工作物质
染料
t
t
t
t
t
t
31
主动锁模原理
在激光谐振腔内加入一 个调制器
域值
对谐振腔内部损耗进行 调制 令调制频率等于C/2L
紫外滤光片
反射镜
光输出波长吻合
YAG
染料
染料应有适当的饱
和光强值
染料配成溶液后应
有较长 的保存期
染料盒
反射镜
影响染料调Q输出 特性的因素
染料浓度的影响
输入能量的影响 染料盒的影响
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q
qq '
I (t) E2(t) 1 t1 q
t1 E 2 (t)dt
0
N N
1E 2
2
q
若振幅相同
E2(t) N Eq2
2 q N
E2 (t) (2N 1) E02 2
二、锁模的基本原理
1.锁模的概念
使各纵模在时间上同步，频率间隔也保持一定，则激光器将输出脉宽极 窄、峰值功率很高的超短脉冲。
主要内容
6.1 概述 6.2 锁模的基本理论 6.3 主动锁模原理 6.4 被动锁模原理 6.5 同步泵浦锁模 6.6 自锁模
6.1 概述
•
目的:
•
压缩脉冲宽度,高峰值功
率,Q开关激光器一般脉宽达10-8s-
10-9s量级,如果再压缩脉宽,Q开关
激光器已经无能为力,但有很多实际
应用需要更窄的脉冲.(1964年后发
但若设法使 1 = 2 = 3 =0时，有
E1 = E0cos(2πν1 t) E2 = E0cos(4πν1 t) E3 = E0cos(6πν1 t)
E(t)
E0
1
0
2
-E0
3
I1
v2=2v1， 初位相相同(0)
9E02
0
1/(3v1)
2/(3v1) 1/v1
t
三 个光波的 相位锁 定
当 t=0 时, E = 3E0, E2 = 9E02; t = 1/(3ν1)时, E1 = E0cos(2π/3) = -E0/2， E2 = E0cos(4π/3) = -E0/2, E3 = E0cos(2π) = E0 , 三波叠加的结果是： E = E1 + E 2 + E3 = 0; 同理可得，t=2/(3ν1 )时，E = 0；t = 1/ν1时，E = 3E0 …… 。这样就会出现一系列周期性的脉冲，见上图。 当各光波振幅同时 达到最大值处时，由于“相长性”的干涉作用，就周期性地出现了极大值（ I = E2 = 9E02 ）。当然, 对于谐振腔内存在多个纵模的情况，同样有类似的结 果。
q =常数)，那么就会出现一 种与上述情况有质的区别而有 趣的现象；激光器输出的将是 脉宽极窄、峰值功率很高的光 脉冲，这就是说，该激光器各 模的相位己按照 q+1 - q = 常数的关系被锁定，这种激光 器叫做锁模激光器，相应的技 术称为“锁模技术”。
3. 输出光强。输出光强由于各纵模之间非相干叠加而呈现随机的无规 则起伏。
I (t) E 2 (t) 1 N E2 (t)dt
t q=-N
N
I t E2 t [ Eq cos(qt q )]2 q N
Eq2 cos2 qt q 2 EqEq' cos qt q .cos q't q'
本节将讨论超短脉冲激光器的原理、特点、实现的方法，几种典型的锁模激
光器及有关的超短脉冲技术。
6.2 锁模的基本理论
激光器的模式分为纵模和横模。锁模也分为锁纵模、锁横模、锁纵 横模三种。本节介绍纵模锁定。
一、多模激光器的输出特性
为了更好地理解锁模的原理，先讨论未经锁摸的多纵模自由运转激光器的 输出特性。腔长为L的激光器，其纵模的频率间隔为：
展了锁模技术，可将脉冲压缩到10-
11～10-14s（ps）量级。)
• 例: 1)激光测距，为了提高测距的 精度,则脉宽越窄越好.
•
2)激光高速摄影.为了拍照高速
超短脉冲（纳秒以下的光脉冲ps-fs ）技术是物理学、化学、生物学、光电子 学，以及激光光谱学等学科对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手
E
0
-E0
I(t)
v2 v3
v1
若相位未锁定，则此三个不同频率 的光波的初位相 1 、 2 、 3 彼此无关，如左图，由于破坏性 的干涉叠加，所形成的光波并没有
一个地方有很突出的加强。输出的 光强只在平均光强3 E02 /2级基础 上有一个小的起伏扰动。
3 E02 /2
0
time
未锁相未锁前相前三的个三光个波光波的的 叠叠加加
E(t)
E0
1
0
2
-E0
3
I(t)
v3 9E02
v3=3v1,
v2
v1
v2=2v1， 初位相相同(0)
9E02
0
E(t)
E0
1/(3v1)
2/(3v1) 1/v1
t
三 个光波的 相位锁 定
v3=3v1,
v2=2v1， 初相位无 规 律
-E0
I(t)
v 2
v3
v1
如果采用适当的措施使这些
各自独立的纵模在时间上同步， 即把它们的相位相互联系起来， 使之有一确定的关系( q+1 -
N
E(t) Eq cos(qt q ) q N
式中，q＝0， 1， 2，…， N是激光器内(2N+1)个振荡模中第q个纵 模的序数； Eq是纵模序数为q的场强; ωq及φq是纵模序数为q的模的角频率 及相位。
三大特点：
1. 各纵模初相位彼此无确定关系，完全独立、随机的。
2. 频谱。由于存在频率牵引和推斥作用，各相邻纵模之间频率间隔并 不严格相等。各纵模不相干。
2.锁模脉冲的特征 先看三个不同频率光波的叠加：Ei = E0cos(2πνi t+ i ) i=1, 2, 3，设
三个振动频率分别为ν1 、 ν2 、 ν3 的三个光波沿同一方向传播，且有关系式： ν3=3ν1， ν2= 2ν1 , E1 = E 2 =E3 = E0
E(t)
v3=3v1, v2=2v1， 初相位无规 律
q
q1
q
c 2L
自由运转激光器的输出一般包含 若干个超过阀值的纵模，如图所 示。这些模的振幅及相位都不固 定，激光输出随时间的变化是它 们无规则叠加的结果，是一种时 间平均的统计值。
激光增益曲线与谐振腔纵模的相互作用
假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有2N+1个纵模，那么激光器 输出的光波电场是2N+1个纵模电场的和，即